一种双杂原子掺杂的多孔类石墨烯纳米碳片的制备方法及其应用与流程

本发明涉及一种双杂原子掺杂的多孔类石墨烯纳米碳片的制备方法，以及该材料作为新基质在基质辅助激光解吸电离飞行时间质谱检测大气雾霾和环境中小分子环境污染物的应用，属于材料和分析化学交叉领域。

背景技术：

近年来，绝大多数北方城市在寒冷的冬天，会出现严重的雾霾天气。而pm2.5(空气动力学当量直径小于2.5μm的大气颗粒物)是导致雾霾的主要因素，可能引起肺损伤和心脏舒张功能不全等多种人体疾病。已经有文献(inhalationtoxicol.,2007,19,811–832)报道，这些不良因素的产生与pm2.5中重金属和有机化合物的含量有关。其中，硝基酚类环境污染物类小分子包含4-硝基儿茶酚和硝基愈创木酚等，主要来自于建筑染料、农药、燃料燃烧和生物质燃烧等；羟基多环芳烃类环境污染物如1-羟基-芘等，来自于木材和煤等不完全燃烧。它们不仅在pm2.5中有高浓度的含量，而且可以与dna结合导致基因突变。因此，我们有必要采取有效的方法对这些有机环境污染物分子进行高灵敏性的检测。

但是目前的检测方法遇到很多困难，不准确，不方便，而且成本高。

基质辅助激光解吸电离飞行时间质谱(maldi-tofms)，因其具有高的灵敏性、高通量性、样品用量极少和响应速度快等优势，已经广泛应用于生物大分子的分析。然而，当激光照射传统基质α-氰基-4-羟基肉桂酸(chca)、2，5-二羟基苯甲酸(dhb)和芥子酸(sa)时，会产生结构碎片使其在m/z＜700范围内出现严重的背景干扰峰，影响maldi-tofms在小分子检测中的应用。最近，研究者们已经合成多种新型材料(多孔硅、金属颗粒、金属氧化物和基于碳的材料)代替传统基质避免其背景噪音，实现对多种小分子化合物的分析检测应用。其中，基于碳的物种像富勒烯、石墨、碳纳米管和石墨烯等，由于其显著的电荷迁移率和光学吸收性能，展现出良好的离子化(ldi)效率可作为新型的maldi基质。

多孔碳材料由于具有高的电导率、大的比表面积、良好的化学稳定性和热导性等特点，进一步，杂原子的掺杂可以改变碳材料的石墨层的电子给予/接收性能，二者结合吸引了大量关注，并且已经应用于电化学传感、maldi-tofms、超级电容器、钠离子电池和氧还原等众多领域。其中，shih等人(chem.commun.,2017,53,5725)通过直接碳化金属有机凝胶得到n-掺杂多孔碳材料，其作为一种maldi基质可用于小分子量生物分子的检测。与单独的多孔碳材料相比，n-掺杂多孔碳材料基质检测小分子时具有更高的信噪比(s/n)和更强的耐盐性。尽管n-掺杂的多孔碳材料已经成功地应用于maldi-tofms分析小分子化合物，然而到目前为止，还没有报道过基于双杂原子掺杂的多孔碳材料用于maldi-tofms检测pm2.5中环境污染物小分子化合物。

技术实现要素：

本发明旨在提供一种双杂原子掺杂的多孔类石墨烯纳米碳片的制备方法，此外，本发明还提供了上述材料作为一种新基质，在基质辅助激光解吸电离飞行时间质谱分析检测大气雾霾和环境中小分子环境污染物中的应用。

本发明双杂原子掺杂的多孔类石墨烯纳米碳材料，是由具有三维类石墨烯的片状纳米碳片组成，纳米碳片的厚度在2-50纳米之间，比表面积为500m²/g～750m²/g，孔径分布为0.1-2nm、2-50nm和50-100nm等多级孔。该材料中的双杂原子包含但不局限于硫、氮原子。

本发明的双杂原子掺杂的多孔类石墨烯碳片，其组成按质量百分比包括如下：

多孔碳的含量为70wt％～88.0wt％，氮原子的含量为6wt％～15.0wt％，硫原子的含量为1wt％～5.0wt％，氧原子的含量为5wt％～10.0wt％。

本发明的双杂原子掺杂的多孔类石墨烯碳片的制备方法，包括如下步骤：

步骤1：在室温、搅拌条件下，将硫脲、柠檬酸或柠檬酸钠、以及氯化钠分别加入二次水中，直至完全溶解，然后将获得的混合溶液于液氮下冷冻，随后将其置于冷冻干燥机中干燥备用；

步骤2：将步骤1获得的固体粉末置于氩气气氛中高温碳化，然后采用二次水洗涤处理，烘干，即可得到氮，硫-双掺杂多孔碳(n,s-c)纳米片。

进一步地：

步骤1中，首先分别取硫脲0.2g-1.5g、柠檬酸或柠檬酸钠1.0g-3.0g、氯化钠15g-20g，加入二次水中，使其完全溶解；然后将获得的混合溶液于液氮下冷冻，随后在冻干机中彻底干燥备用。

步骤2中，将步骤1获得的固体粉末置于氩气气氛中高温碳化，具体是以2℃/min～5℃/min的升温速率加热温度至700℃～900℃热处理1～3h，待其降至室温之后，将获得的产物采用二次水洗涤移除多余的氯化钠，烘干，即可得到氮和硫双掺杂的多孔碳(n,s-c)纳米片。

本发明获得的氮和硫双掺杂的多孔类石墨烯纳米碳材料为三维纳米片状结构，且以介孔为主大孔为辅的存在方式，比表面积为500m²/g～750m²/g。

本发明制备过程中，可以通过改变硫脲、柠檬酸或柠檬酸钠、氯化钠的含量来调控多孔碳的三维孔道存在形式，分别获得三维介孔状的多孔碳和三维大孔状的多孔碳纳米片等。

本发明以氯化钠为模板，利用硫脲和柠檬酸之间的氢键作用，低温冷冻自组装之后，经过高温碳化处理得到氮和硫共掺杂的多孔类石墨烯纳米碳片，制备方法简单，成本低廉，能够大规模生产并且满足实际工业化的应用。

本发明的双杂原子掺杂的多孔类石墨烯碳片的应用，是在基质辅助激光解吸电离飞行时间质谱分析检测小分子量化合物时作为一种maldi基质材料使用。

所述小分子量化合物包括有机环境污染物类小分子(4-硝基儿茶酚、硝基愈创木酚和1-羟基-芘)以及氨基酸类分子(色氨酸、天冬氨酸、谷氨酸、苏氨酸、苯丙氨酸、甲硫氨酸和丝氨酸)。

所述小分子量化合物为m/z＜1000的化合物，优选分子量为700以下的化合物。

本发明方法分析的样品除纯品和简单混合物外，还覆盖复杂混合体系，包括大气雾霾(pm2.5)等。

当氮和硫共掺杂的多孔类石墨烯碳片作为maldi基质时，基质溶液的浓度为0.1mg/ml～10mg/ml。

在基质辅助激光解吸电离飞行时间质谱检测中，待测分析物的浓度为0.5μg/ml～0.5mg/ml。

应用时，可以将基质溶液0.5μl～1μl滴涂于基质辅助激光解吸电离靶板上，在室温下自然晾干，得到薄层基质。再取0.5μl～1μl的分析物溶液滴涂于基质层表面，使样品与基质形成的混晶进行二次结晶，在室温下自然风干，待干燥后进行激光解吸离子化质谱分析。

应用时，也可将基质溶液和待测分析物溶液等体积混合，直接取1μl～2μl混合溶液滴涂于基质辅助激光解吸电离靶板上，在室温下自然风干，待干燥后进行质谱分析。

本发明以氮和硫双掺杂的多孔类石墨烯纳米碳片为maldi基质进行质谱分析，通常选用飞行时间质量分析器，但也可用其它质量分析器代替。

本发明双杂原子掺杂的多孔类石墨烯纳米碳片具有大的比表面积、高的导电性和良好的紫外吸收性能，可作为一种新型maldi-tofms基质用于小分子量化合物(m/z﹤1000)等分析检测。本发明双杂原子掺杂的多孔类石墨烯纳米碳片作为maldi-tofms新基质，也可用于大气雾霾实际样中有机环境污染物小分子的定量分析。

本发明的有益效果体现在：

1、本发明采用柠檬酸或柠檬酸钠、硫脲和氯化钠作为原料，成本低廉，来源广，能够大规模生产并且满足实际工业化的应用。

2、本发明制备的氮和硫双掺杂多孔类石墨烯纳米碳片，具有类石墨烯结构，由杂原子氮、硫、氧和多孔碳等组成。其中，多孔碳具有大的比表面积、高的传电子能力及良好的紫外吸收能力，杂原子氮和硫具有强的供电子能力，双杂原子掺杂的多孔碳材料能够更有助于作为新基质代替传统基质用于maldi质谱分析。

3、本发明制备的氮和硫双掺杂多孔类石墨烯纳米碳片作为maldi新基质，在低分子量范围内(m/z﹤700)具有较低的基质背景干扰峰，确保高灵敏性的maldi-tofms分析。

4、本发明制备的氮和硫双掺杂多孔类石墨烯纳米碳片作为maldi新基质用于小分量化合物分析检测时，具有低的背景信号和高的离子强度。

5、本发明制备的氮和硫双掺杂多孔类石墨烯纳米碳片作为maldi新基质可用于大气雾霾(pm2.5)中环境污染物小分子的成分组成及含量分析。

6、与其它电化学、荧光和比色方法相比，本发明涉及的maldi-ms方法检测大气雾霾小分子时，具有高通量性、高灵敏性和可靠的m/z信号峰。

7、本发明制备的氮和硫双掺杂多孔碳材料作为maldi新基质还可用于不同种类氨基酸生物分子的分析及定量检测。

8、本发明制备的氮和硫双掺杂多孔碳材料作为maldi新基质，比氧化石墨烯或还原的氧化石墨烯基质灵敏度更高。

9、本发明提供了一种测试环境污染分子和生物分子的高效准确的新方法。

附图说明

图1是实施例1中氮和硫双掺杂多孔类石墨烯纳米碳片(n,s-c)的(a)sem和(b)tem形貌图。

图2是实施例1中n,s-c纳米片的bet图。

图3是实施例1中n,s-c纳米片的ft-ir图。

图4是实施例1中n,s-c纳米片的xps图。其中a为n,s-c纳米片的全谱峰，b、c和d分别对应n,s-c纳米片的c1s、n1s和s2p分峰。

图5是实施例4中传统有机小分子chca和n,s-c纳米片分别作为maldi基质在负离子模式下对应的质谱图。

图6是实施例5中传统有机小分子chca和n,s-c纳米片分别作为maldi基质在负离子模式下用于单独(a)4-硝基儿茶酚、(b)硝基愈创木酚和(c)1-羟基-芘检测的质谱图。

图7是实施例6中传统有机小分子chca和n,s-c纳米片分别作为maldi基质在负离子模式下用于4-硝基儿茶酚、硝基愈创木酚和1-羟基-芘环境污染物混合溶液分析的质谱图。

图8是实施例7中传统有机小分子chca和n,s-c纳米片分别作为maldi基质在负离子模式下用于大气雾霾(pm2.5)中小分子环境污染物分析的质谱图。

具体实施方式

下面通过实施例来进一步说明本发明，但不局限于以下实施例。

下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法；下述实施例中所用的试剂、材料等，如无特殊说明，均可从商业途径购买得到。

实施例1：

1、在室温且搅拌条件下，分别取0.65g硫脲、1.401g柠檬酸和17.55g氯化钠溶于二次水中，直至完全溶解为止，随后，将该混合溶液于液氮中冷冻，并且在冻干机中干燥至粉末后备用。

2、将上述样品在氩气气氛下采用5℃/min的升温速率加热温度至750℃热处理保持2h，降至室温之后，获得的产物采用二次水洗涤移除多余的氯化钠，烘干之后得到氮和硫双掺杂的多孔类石墨烯纳米碳片(n,s-c)。通过分析检测，碳含量为80.68％，氧含量为6.62％，氮含量为10.86％，硫含量为1.84％。

所制备的n,s-c纳米片的sem和tem表征见图1，从图1a中可以看出，该材料展现出相互关联的类石墨烯的纳米片状结构。进一步通过附图1b的tem图可以观察到该材料为大片状且有多种类型的孔存在。同时，该材料的bet表征见图2。从图2可以看出，n,s-c纳米片的比表面积约为710.41m²/g，平均孔径约为9.1nm，以介孔为主大孔为辅的结构。为了表明杂原子存在于该多孔碳材料中，所制备的材料对应的ft-ir表征见图3，从图3可以看出在1383cm^-1波数处有c-n键、在1631cm^-1波数处有c＝c键、在3450cm^-1波数处有o-h键、在881cm^-1波数处有c-s键和在1164cm^-1波数处有s-o键等。从图4a的xps表征可以看出，该材料有c、n、s和o四种元素，从图4b中可以观察到，c1s分峰主要由c-c(284.7ev)、c-n(285.6ev)、c-s(287.4ev)和o-c＝o(290.5ev)峰组成。进一步通过图4c可以看出n1s分峰，由在398.3ev位置吡啶n、400.6ev位置吡咯n和403.7ev位置氧化型n组成，其中，吡啶n有助于碳材料作为maldi基质的离子化效率和加速捕获待测物中的质子便于负离子模式下maldi-tofms分析。同时，从图4d中可以看出，s2p分峰主要由-c-s-c-共价键和c-sox-基团组成。而且，s杂原子的引入，可引起n,s-c纳米片中吡啶n含量的增加。

实施例2：

1、在室温且搅拌条件下，分别取1.3g硫脲、1.401g柠檬酸和17.55g氯化钠溶于二次水中，直至完全溶解为止，随后，将该混合溶液放置液氮中冷冻，并且在冻干机中干燥至粉末后备用。

2、将上述样品在氩气气氛下采用5℃/min的升温速率加热温度至750℃热处理保持2h，降至室温之后，获得的产物采用二次水洗涤移除多余的氯化钠，烘干之后得到氮和硫双掺杂的多孔类石墨烯纳米碳片(n,s-c)。通过分析检测，碳含量为77.79％，氧含量为6.62％，氮含量为12.66％，硫含量为2.93％。

实施例3：

1、在室温且搅拌条件下，分别取0.65g硫脲、2.802g柠檬酸和17.55g氯化钠溶于二次水中，直至完全溶解为止，随后，将该混合溶液放置液氮中冷冻，并且在冻干机中干燥至粉末后备用。

2、将上述样品在氩气气氛下采用5℃/min的升温速率加热温度至750℃热处理保持2h，降至室温之后，获得的产物采用二次水洗涤移除多余的氯化钠，烘干之后得到氮和硫双掺杂的多孔类石墨烯纳米碳片(n,s-c)。通过分析检测，碳含量为83.49％，氧含量为3.81％，氮含量为10.86％，硫含量为1.84％。

实施例4：

取1mg上述实施例1中的氮和硫共掺杂的多孔类石墨烯纳米碳片(n,s-c)分散于乙醇与水体积比1:1的混合溶液中，超声处理1h之后，作为n,s-c基质溶液。另取传统有机小分子chca溶于含0.1％三氟乙酸的乙腈与水体积比3:7的混合溶液中，得到chca饱和溶液作为ms基质。分别取上述两种基质溶液各1μl滴涂于maldi不锈钢靶板上，在室温下自然风干，形成一层薄薄的基质层，m/z在100～700范围内观察基质背景峰。

从图5中可以看出，在负离子模式下，m/z在100～700范围内，传统有机小分子chca基质存在明显的背景杂峰，严重影响待测物的信号。相反，以n,s-c纳米片作为maldi基质时，能够获得可以忽略的背景噪音。因此，n,s-c纳米片可以作为maldi新基质用于小分子量化合物的检测。

实施例5：

取1mg上述实施例1中的氮和硫双掺杂的多孔类石墨烯纳米碳片(n,s-c)分散于乙醇与水体积比1:1的混合溶液中，超声分散1h之后，作为n,s-c基质溶液。将1μl基质溶液滴涂于maldi不锈钢靶板上，在室温下自然风干，形成一层薄薄的基质层。另单独取1μl浓度为0.01mg/ml的4-硝基儿茶酚、硝基愈创木酚和1-羟基-芘溶液滴涂于基质层，并在室温下自然晾干，待干燥后在负离子模式下进行有机环境污染物小分子的质谱分析。

从图6a中可以看出，以传统chca基质在负离子模式下检测4-硝基儿茶酚时，观察不到4-硝基儿茶酚的特征失质子[m-h]^-峰，相反，以n,s-c纳米片作为基质时，m/z在154.067位置处，可观察到其明显的高强度特征峰。类似地，从图6b中可以看出，传统chca基质在负离子模式下观察不到硝基愈创木酚的特征失质子峰，然而，n,s-c作为基质时，可在m/z168.065处检测到硝基愈创木酚的典型失质子峰。从图6c中可以看出，无论使用chca基质还是n,s-c纳米片基质，均在m/z217.027位置处可观察到1-羟基-芘的特征失质子峰，但是，使用n,s-c纳米片基质时，可获得1-羟基-芘的更强的信号强度和更高的信噪比值。因此，表明n,s-c纳米片作为maldi基质时，在负离子模式下可用于单独环境污染物小分子的高灵敏性的检测。

实施例6：

取1mg上述实施例1中的氮和硫双掺杂的多孔类石墨烯纳米碳片(n,s-c)分散于乙醇与水体积比1:1的混合溶液中，超声分散1h之后，作为n,s-c基质溶液。将1μl基质溶液滴涂于maldi不锈钢靶板上，在室温下自然风干，形成一层薄薄的基质层。另取1μl终浓度为0.1mg/ml的4-硝基儿茶酚、硝基愈创木酚和1-羟基-芘混合溶液滴涂于基质层，并在室温下自然晾干，待干燥后在负离子模式下进行有机环境污染物小分子混合物的质谱分析。

从图7中可以看出，以传统chca作为基质在负离子模式下检测环境污染物小分子混合物，仅能够观察到4-硝基儿茶酚和1-羟基-芘的低的离子强度峰(m/z154.047和217.044)，同时还伴随着多个高强度的离子背景峰。然而，当使用n,s-c基质时，可以在m/z154.032、168.051和217.022位置附近清楚地观察到三种环境污染物的典型失质子峰，同时具有高的离子强度和零的背景干扰峰。因此，表明n,s-c纳米片作为maldi基质时，在负离子模式下可用于环境污染物小分子混合物的高灵敏性的检测。

实施例7：

取1mg上述实施例1中的氮和硫共掺杂的多孔类石墨烯纳米碳片(n,s-c)分散于乙醇与水体积比1:1的混合溶液中，超声分散1h之后，作为n,s-c基质溶液。将1μl基质溶液滴涂于maldi不锈钢靶板上，在室温下自然风干，形成一层薄薄的基质层。另采用高容量的气溶胶采样器收集合肥市某九层楼顶的大气，收集到的气溶胶颗粒吸附于石英纤维膜上，之后将其切成1×1cm²的小方块，置于25ml乙腈/二氯甲烷混合溶液中超声萃取，回流之后重分散于乙腈/二氯甲烷混合溶液中。取1μl上述大气雾霾分散液滴涂于基质层，并在室温下自然晾干，待干燥之后，在负离子模式下用于maldi-tofms分析pm2.5中环境污染物小分子。

从图8中可以看出，使用传统chca基质时，观察不到pm2.5中任意一种环境污染物分子的失质子峰。然而，当使用n,s-c纳米片作为基质时，可以明显观察到m/z在154.067、168.056和217.028位置处对应的4-硝基儿茶酚、硝基愈创木酚和1-羟基-芘的特征失质子ms峰，还具有强的离子强度和高的信噪比。同时可能观察到一些其它的环境污染物的失质子峰。由于缺乏其它环境污染物的标准品，因此，不能确定其它可能存在的小分子环境污染物失质子峰的成分组成。

实施例8：

取1mg上述实施例1中的氮和硫双掺杂的多孔类石墨烯纳米碳片(n,s-c)分散于乙醇与水体积比1:1的混合溶液中，超声分散1h之后，作为n,s-c基质溶液。将1μl基质溶液滴涂于maldi不锈钢靶板上，在室温下自然风干，形成一层薄薄的基质层。另分别取1μl不同浓度4-硝基儿茶酚溶液(0.001-0.1mg/ml)滴涂于基质层，并在室温下自然晾干，待干燥后在负离子模式下进行4-硝基儿茶酚溶液的定量ms分析。

实施例9：

取1mg上述实施例1中的氮和硫双掺杂的多孔类石墨烯纳米碳片(n,s-c)分散于乙醇与水体积比1:1的混合溶液中，超声分散1h之后，作为n,s-c基质溶液。将1μl基质溶液滴涂于maldi不锈钢靶板上，在室温下自然风干，形成一层薄薄的基质层。另分别取1μl不同浓度硝基愈创木酚溶液(0.001-0.01mg/ml)滴涂于基质层，并在室温下自然晾干，待干燥后在负离子模式下进行硝基愈创木酚的ms分析。

实施例10：

取1mg上述实施例1中的氮和硫双掺杂的多孔类石墨烯纳米碳片(n,s-c)分散于乙醇与水体积比1:1的混合溶液中，超声分散1h之后，作为n,s-c基质溶液。将1μl基质溶液滴涂于maldi不锈钢靶板上，在室温下自然风干，形成一层薄薄的基质层。另分别取1μl不同浓度1-羟基-芘溶液(0.0005-0.075mg/ml)滴涂于基质层，并在室温下自然晾干，待干燥后在负离子模式下进行1-羟基-芘的ms分析。

实施例11：

取1mg上述实施例1中的氮和硫双掺杂的多孔类石墨烯纳米碳片(n,s-c)分散于乙醇与水体积比1:1的混合溶液中，超声分散1h之后，作为n,s-c基质溶液。将1μl基质溶液滴涂于maldi不锈钢靶板上，在室温下自然风干，形成一层薄薄的基质层。另分别取1μl浓度为1.0mm的天冬氨酸、谷氨酸、苏氨酸、苯丙氨酸、甲硫氨酸和丝氨酸溶液滴涂于基质层，并在室温下自然晾干，待干燥后在负离子模式下进行氨基酸的ms分析。

实施例12：

取1mg上述实施例1中的氮和硫双掺杂的多孔类石墨烯碳片(n,s-c)分散于乙醇与水体积比1:1的混合溶液中，超声分散1h之后，作为n,s-c基质溶液。将1μl基质溶液滴涂于maldi不锈钢靶板上，在室温下自然风干，形成一层薄薄的基质层。另取1μl不同浓度的色氨酸(0.01mm-5.0mm)溶液滴涂于基质层，并在室温下自然晾干，待干燥后在负离子模式下用于色氨酸的定量检测。